555时基电路浅谈 第5讲 555电路的双稳工作方式和应用

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常用的555电路双稳工作方式有两种:一种是R-S触发器电路,另一种是施密特触发器电路。

一、怎样实现双稳工作方式

1.什么是双稳态电路

我们知道,双稳态电路或双稳触发器是一种有两个或两个以上输入端和两个输出端的电路。它的输出状态是由输入状态、输出原来的状态和触发器的性能决定的。它的输出有两个稳定状态,两个输出端Q和Q-总是处在相反的状态,好象翘翘板那样总是一高一低。当输出状态确定以后,即使把输入信号撤除,输出的稳定状态也能一直保持下去,直到下一次输入信号到来时才会作出反应。由于这种电路有两种稳定状态,电路又必须靠外加脉冲的触发才能翻转,所以我们把这种电路称为双稳触发器电路或简称双稳电路。常用的双稳触发器有R-S触发器、D触发器、J-K触发器等好几种。

第1讲中我们已介绍过,555电路的内部电路虽然很复杂,但是经过化简和变换,可以简化成一个带放电开关的R-S触发器。因为放电开关和双稳态工作方式的关系不大可以省略,所以555的双稳工作方式实际上就是一个等效的R-S触发器,见图1。

图1
图1 🔍原图 (422×355)

2.等效R-S触发器的性能

这是一个特殊的R-S触发器。它有两个输入端R和S-,R称为复位端,S-称为置位端;只有1个输出端V\(_{0}\),它就是触发器的Q端。因为用1个Q端就能解决与负载连接和说明触发器状态的问题,所以Q-端是可以省略的。从性能上讲,这个触发器和普通的R-S触发器不同的地方,也就是它的特殊性有两个:①两个输入端对触发电平的极性要求不同:R端要求高电平,而S-端要求低电平。从图上看到它们一个不带小圆圈一个带小圆圈。②两个输入端的阈值电压VT不同。阀值电压也称门槛电压,它是用来说明高低电平的界限的。也就是说它的两个输入端各有自己的高低电平的界限: R端的阈值电压是\(\frac{2}{3}\)Vcc,即对R端来说,V\(_{R}\)≥2;3Vcc是高电平“1”,<\(\frac{2}{3}\)V\(_{cc}\)是低电平“0”,S-端的阀值电压则是1;3Vcc,即对S-端来说,V\(_{s}\)-≤\(\frac{1}{3}\)Vcc是低电平“0”,>1;3V\(_{cc}\)是高电平“1”。

这个特殊的R-S触发器的逻辑功能又是怎样的呢?

在第1讲中我们是从基本R-S触发器出发进行简化的。对基本R-S触发器来讲,在四种输入组合中有一种组合会使输出处于不定状态,这是不允许的。为了解决这个问题,在555电路内部已经从结构和工艺上采取了措施,使两个比较器在翻转速度上,下比较器比上比较器稍快,因而消除了这种不定状态。即使它的两个输入端同时加上复位信号和置位信号,R=1和和S-=0时,输出是稳定的高电平“1”。也就是说,只要S-端加上所要求的低电平“0”,不管R端是什么状态,触发器都被置成“1”。从这个意义上讲,S-端优先于R端。如果拿R端、S-端去和总复位端MR-比较,则只要MR-=0,触发器就一定是“0”态,也就是说,MR-端又优先于S-端和R端。所以555电路在接R-S触发器方式工作时的逻辑功能,即它的真值表是表1。表中的“*”表示逻辑状态可以是“1”也可以是“0”。

图2
图2 🔍原图 (273×289)

3.识别的方法

要从各种实用的555电路中判断它是否属于R-S触发器方式,主要是看它的输入端。如果输入端不接定时电阻和电容,直接用作控制端时(有时用两个,有时只用1个),这种电路基本上就是R-S触发器的应用方式。有的电路在电压控制端VC上加有可调的电压或辅助电路,显得更复杂些,但这是为了满足电路对阈值电压的特殊要求而增加的,它的基本功能仍然是一个R-S触发器。

从用途上看,555电路的R-R触发器应用方式通常都是用作信息的记忆和锁存、控制电路的开或关、数据的检测和比较等,电路的结构和功能都比较简单。因此从电路的用途上也能帮助我们作出判断。

二、另一种双稳电路-施密特触发器

1.什么是施密特触发器

施密特触发器是双稳触发器的一种。从电路结构上看,它和R-S触发器不同的地方是:它只有一个输入端V\(_{i}\)和一个输出端V0。对555电路来讲,只要把它的两个输入端TH端和TR-端合并成1个输入端,它就成为1个施密特触发器。见图2(a)。从性能上看,它有两个特点:①它的输出端也有两个稳定状态,但它的输出状态不仅和输入信号的状态有关,而且还要靠输入信号的电位来维持。对一般的触发器,如R-S触发器、D触发器等,在输入信号使输出状态翻转以后即使把输入信号撤除,输出状态也不会变化,这就是触发器的记忆或寄存功能。施密特触发器的性能和一般触发器不同,它的输出状态在翻转以后还要靠输入信号的电位来维持。如果把输入信号撤除,它的输出状态又会重新翻转回去。②它的输入端使输出状态翻转的阈值电压有两个不同的值,它们的差值叫做回差电压。它的输出输入曲线是一个短形的回差曲线。施密特触发器的回差曲线和回差电压是它最主要的特性。

图3
图3 🔍原图 (1258×420)

那么,为什么施密特触发器的输入会有两个不同的阈值电压,什么是它的回差现象,它的回差曲线又是什么样的呢?

2.555施密特触发器的回差特性

让我们在555施密特触发器的输入端加一个变化的电压,然后看它的输出会有什么变化?

(1)假定在输入端V\(_{i}\)加一个从零开始上升的电压。一开始输入电压Vi=0时,相当于R=0、S-=0,输出V\(_{0}\)为高电平“1”。这是施密特触发器的第一个稳态。当输入电压上升到在1/3Vcc<V\(_{i}\)<2/3Vcc之间时,相当于R=0、S-=1,V\(_{0}\)保持高电平“1”。当输入电压上升到Vi>2/3V\(_{cc}\)时,相当于R=1、S-=1,输出V0翻转成低电平“0”,即从第1稳态翻转到第2稳态。以后当输入电压继续上升到最高为V\(_{cc}\)时,输出V0一直保持低电平“0”。输出电压与输入电压的关系是图2(b)的曲线,它是沿着a→b→c→d→e变动的。

(2)现在假定输入电压V\(_{i}\)从最高值Vcc逐渐下降。一开始输入电压是高电平,输出V\(_{0}\)是低电平“0”。输入电压逐渐下降在不小于1/3Vcc时,输出V\(_{0}\)一直维持低电平“0”。当输入电压下降到Vi<V\(_{cc}\)时,R=0、S-=0,输出V0翻转成高电平“1”。即从第2稳态又翻回到第1稳态。以后到输入电压降到零,输出V\(_{0}\)一直保持高电平“1”。输出电压与输入电压的关系是图2(c)的曲线,它是沿着e→d→f→b→a变动的。

(3)把这两根曲线合并起来可以拼成一根曲线,见图2(d)。从这根曲线可以全面清晰地说明输出电压和输入电压的关系。这根曲线被称为传输特性曲线。表2详细地标注出各段曲线的形成过程。从这根曲线的形状看,它有一个短形的框。短形框的左右两个边所对应的输入电压V\(_{i}\)值就是它的两个阈值电压。也就是说当输入电压从不同方向变动时,使输出电压翻转的阈值电压是不相等的。这两个阈值电压中,较大的那个称为上触发电平或上鉴别阈VT+,较小的那个称为下触发电平或下鉴别阈V\(_{T-}\)。两者的差值就称为回差电压或滞后电压△VT,从图上看它就是这个矩形的宽度。在不加控制电压的情况下,555施密特触发器的回差电压是:△V\(_{T}\)=VT+-V\(_{T}\)-=2/3Vcc-1/3V\(_{cc}\)=1/3Vcc。如果在电压控制端VC加上辅助电压,就可以调整施密特触发器的回差电压。

图4
图4 🔍原图 (344×394)

早在100年前,科学家就发现铁磁材料的磁感应强度B和外加磁场强度H之间有这种关系。那时把这种现象称为磁滞现象,把铁磁材料的B-H曲线叫做磁滞特性曲线或磁滞回线。因此我们把施密特触发器的这根曲线也叫做回滞曲线或滞后曲线。这根曲线是施密特触发器特有的,所以在图形符号上就用这根曲线的形状来表示施密特触发器。由于施密特触发器具有这种滞后特性以及它常被用作比较器和鉴幅器使用,所以有时也把施密特触发器叫做滞后比较器。

3.简易识别法

要从各种555应用电路中识别它是否属于施密特触发器工作方式,只要看它的输入端,一般都是把两个输入端并作1个使用,有时也可能只用1个输入端。不管电路形式如何变化,施密特触发器只有1个输入,这是它的特点。

施密特触发器通常都用作波形整形、波形变换、检测电路和电子开关等。因此从它的用途也可以帮助我们作出判断。(俞鹤飞)